Vad är fotosyntes?
Jordens atmosfär innehöll inget syre när vår planet bildades i ett moln av gas och stoft runt den unga solen för cirka 4,6 miljarder år sedan.
Ungefär en miljard år senare uppstod mikroskopiska blågröna bakterier i havet, som började producera syre. Bakterierna satte i gång utvecklingen av jordens syrerika atmosfär, som utgör hela grunden för att människor och djur kan andas på jordklotet.
Produktionen av syre sker genom fotosyntes.
Fotosyntes är en biokemisk process som gör att växter, alger och vissa bakterier kan ta upp de oorganiska ämnena koldioxid (CO2) och vatten (H20) samt bilda kolhydraten glukos, som hjälper växten att växa.
En lika väsentlig del är att syre bildas som en avfallsprodukt i processen, och därmed blir fotosyntes den viktigaste biokemiska processen på jorden.
Formeln för fotosyntes ser alltså ut så här:
6 CO2 + 6 H2O + ljusenergi --> C6H12O6 (glukos) + 6 O2
Hur går fotosyntes till?
Gröna växter använder energi från ljuset med hjälp av fotosyntes. Under processen omvandlas luftens CO2 till syre och kolföreningar (sockerämnen).
Så funkar fotosyntesen
Fotosyntes är en process i vilken växter använder mikroskopiska kloroplaster i bladen till att fånga in ljusets energi och sedan använder den till att omvandla vatten och koldioxid till socker och syre.
Vatten (H2O) transporteras från växtens rötter ut till bladen.
Ljusenergi från solen splittrar vattenmolekylerna och frisätter elektronerna.
Fotosyntesen äger rum i växtcellernas kloroplast.
Koldioxid (CO2) tas upp genom klyvöppningar i växtcellerna.
Kol (C), som växten är byggd av, bildas genom att frigjorda elektroner från vattnet spjälkar koldioxid (CO2).
Syre (O2) avges från växten om processens avfallsprodukt.
När upptäcktes fotosyntesen?
Växterna fungerar alltså tvärtemot människor och djur, som andas in och ut koldioxid – även kallat respiration.
Det upptäckte den nederländska forskaren Jan Ingenhousz redan 1771. Han dokumenterade att växter frisätter syrebubblor när de utsätts för solljus och avger koldioxid när det blir mörkt.
1999 hittade den grönländske forskaren Minik Rosing sensationellt nog spår efter fotosyntes i grönländska bergsklippor. Spåren bestod av kol, som hade avlagrats av cyanobakterier, även kallade blågrönbakterier, för omkring 3,7 miljarder år sedan.
Fotosyntesen är utan tvekan det mest dramatiska som har hänt livet på jorden. Minik Rosing, professor i geologi vid Köpenhamns universitet
Precis som växterna omvandlar cyanobakterierna solljus till kemisk energi och producerar syre som avfallsämne. Allt det syre bakterierna producerade i haven via fotosyntes under många hundra miljoner år, utgjorde grogrund för nya och mer avancerade livsformer.
Cyanobakterier har existerat i över tre miljarder år och deras syrgasbildande fotosyntes är grunden för allt liv på jorden som vi känner till.
Under flera geologiska tidsåldrar pumpade cyanobakterier ut syre i omgivningarna. I ett första skede blev syret kemiskt bundet till ämnen som exempelvis järn, vilket innebar att det inte hamnade i atmosfären.
Med tiden fylldes atmosfären av syret från fotosyntesen. Dessutom bildades det ozonlager som skyddar livet mot solens ultravioletta strålning.
Under de senaste två miljarder åren har jorden haft en syrerik atmosfär, och beräkningar visar att det i dag bildas 280 miljarder ton syre om året på jorden. 46 procent av syret skapas i havet av alger och cyanobakterier, medan resterande 54 procent bildas på land. (609)
Det motsvarar 21 procent av atmosfärens sammansättning (resten av atmosfären består av kväve, koldioxid samt andra gasarter). 46 procent av syret skapas i havet av alger och cyanobakterier, medan resterande 54 procent bildas på land.
Video: Nasa observerar fotosyntes sedd från rymden
Hundratals kilometer från jordens yta fångar satelliter upp det osynliga ljus – fluorescerande ljus – som växterna avger under fotosyntes.
Klimatförändringar och fotosyntes
Under miljontals år var förhållandet mellan syre och koldioxid i naturlig balans i atmosfären, men under de senaste årtiondena har balansen rubbats.
År 2019 låg det globala koldioxidutsläppet i atmosfären på 37 gigaton, vilket är 30 procent högre än under 1970-talet.
Bland forskare råder det stor enighet om att det ökade utsläppet av koldioxid beror på förbränning av fossila bränslen, vilket förklarar varför den naturliga fotosyntesen inte kan hänga med – och varför innehållet av koldioxid i atmosfären stadigt ökar.
Därför forskar man också för att hitta nya sätt att samla in eller lagra koldioxid på, så att koncentrationen i atmosfären inte fortsätter sin färd till himlen.
Konstgjorda blad skapar fotosyntes
Konstgjorda blad, som imiterar naturens fotosyntes, har uppfunnits flera gånger.
Dessvärre har samtliga upplevt samma problem. Bladen kan omvandla koldioxid från trycktankar i ett laboratorium, men de kan inte åtskilja koldioxid från vanlig atmosfärisk luft. Förrän nu.
2019 utvecklade forskare nämligen ett speciellt membran som kan lösa problemet.
Membranen kapslar in det konstgjorda bladet och ser till att bada det i vatten medan fotosyntesen pågår. När solen värmer upp vattnet bakom membranen kan det avdunsta ut genom bladets undersida och i den processen dra in koldioxiden genom små klyvöppningar på bladets översida. Öppningarna motsvarar de klyvöppningar som naturliga blad har.
Ett ljusabsorberande material fångar in energi från solens strålar som tillsammans med ett antal stödämnen sätter i gång fotosyntesen i det konstgjorda bladet.
Det konstgjorda bladet omvandlar koldioxid till syre och kolmonoxid (CO). Syret kan samlas in eller släppas ut och kolmonoxid kan användas i syntetiska bränslen.
Så skapar konstgjort blad fotosyntes
Forskare har uppfunnit ett membran som bäddar in konstgjorda blad i vatten. Det gör att bladen kan dra ut koldioxid ur luften och alltså förse sig själva med råvaran för fotosyntesen.
Vatten förångas
När solen värmer upp vattnet bakom membranet, kan det förångas ut genom bladets undersida. Medan vattenångan lämnar bladet, dras koldioxid (CO2) in via små klyvöppningar på ovansidan.
Fotosyntesen sparkas i gång
Med rikliga mängder koldioxid kan bladet bedriva fotosyntes, där växthusgasen omvandlas till syre (O2) och kolmonoxid (CO).
Bränsle släpps ut
Medan naturliga blad skapar socker är slutprodukten i det konstgjorda bladet kolmonoxid, som kan användas i syntetiska bränslen.
Inpackade i forskarnas nya membran kan konstgjorda blad utskilja tio gånger så mycket koldioxid ur luften som ett vanligt blad med samma yta.
I praktiken kommer ett konstgjort blad att likna en solpanel, och en park med 360 paneler ska kunna extrahera 792 kilo koldioxid ur luften per dag. (268)
Djur som använder fotosyntes (26)
Havssnäcka skördar kloroplast
Havssnäckan (Elysia chlorotica) suger ut kloroplast ur algerna med hjälp av en sugrörsliknande anordning och tar upp den i sina celler så att den kan omvandla solljus till energi.
Ärtbladlus skapar pigment
Ärtbladlusen (Acyrthosiphon pisum) producerar växtpigment som sannolikt hjälper insekten att få energi av solens strålar.
Salamander snyltar på alger
Den gulfläckiga mullvadssalamandern (Ambystoma maculatum) koloniseras av alger i fosterstadiet, då ägget växer i vattnet. Där hamstrar fostret syre och glukos från algerna när de skapar fotosyntes.
Forskare hackar fotosyntes
2019 lyckades ett nytt internationellt forskningsprojekt kallat Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE) med att genmodifiera bladen på tobaksväxter så att de kunde skapa fotosyntes betydligt mer effektivt.
Växter fångar in koldioxid från luften via enzymet rubisco. Dessvärre fångar enzymet inte bara in koldioxid, utan också syre, vilket skapar giftämnen som växten måste använda energi för att bryta ned.
Denna avgiftningsprocess betyder att växten har mindre energi för att omvandla koldioxid till glukos, som driver växtens tillväxt.
Forskarnas genmodifierade blad effektiviserade avgiftningen i tobaksväxterna så pass mycket att växterna växte snabbare och blev upp emot 40 procent större jämfört med normala tobaksväxter.
Nästa steg är att testa metoden på tomater, sojabönor och liknande växter, så att den växtbaserade livsmedelsproduktionen kan fördubblas över 50 år. Detta är nödvändigt för att kunna föda en befolkning som snart förväntas nå upp till nio miljarder.